（电气工程专业论文）虚拟技术在电工电子实验中的应用.pdf

浙江天学硕上学位论文 摘要 本课题改善了当前传统的封闭式教学模式，对实验教学模式进行了创新。电子实验室的 逐步开放，用户信息、实验数据的急速增加，海量的数据信息已经使得传统管理模式不能胜 任现有的实验管理工作。因此，必须建立开放式实验室，让学生根据自己的兴趣爱好选择自 己擅长的实验，反复地进行电路测试和故障查询，通过选择最佳的实验方案，采用优越的实 验手段使得实验结果达到最佳。应用计算机科学、仪器技术和网络技术给电工电子实验室的 发展注入活力。网络技术在仪器领域的渗透日益加深，将信息系统和测量系统通过i n t e r a c t 或i n t r a n e t 无缝地连接起来，将现有的电子实验室建设成虚拟网络实验室，最大限度地做到 资源共享。 本文分析了虚拟仪器的研究和开发，给e d a 实验建设提供了新的思路。本文就开发的 几款电工电子学常用的虚拟仪器，并自行搭建了一些小规模的实验平台，遵循电工电子实验 的教学特点，结合电工电子实验的实例，将传统仪器和虚拟仪器的优缺点进行比较，分析已 开发的虚拟仪器目前存在的一些优缺点。另外，还介绍了作者参与开发的实验管理系统平台， 该平台为开放式虚拟网络实验室的搭建提供了基础；在文章的最后，对虚拟网络实验的功能， 结构和实验方案作了详细的分析。开放式虚拟网络实验平台正在进一步建设和完善中，目的 是让学生无论位于哪个地方。只要有网络和电脑，就能进行电工电子实验。 本项目涉及电工电子实验的仪器设计以及实验管理系统的应用与开发。拟解决的工程设 计技术问题难度较大，工作量较大，该项目的圆满完成，为实验教学的改革提供了有益的建 设性经验，研究成果在高校中有实际应用价值和推广价值。 关键词：虚拟仪器网络电工电子实验 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c r i b e sap r o j e c tw h i c hi m p r o v e st h eo l dc l o s e dt e a c h i n gm o d ea n dm a k es o m e i n n o v a t i o n st ol a b - t e a c h i n g w i t ht h eg r a d u a l l yo p e n i n go fe l e c t r o n i c sl a b o r a t o r y ，a sw e l la st h e r a p i d i n c r e a s e m e n to fu s e ri n f o r m a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t a , a m a s so fd a t am a k e so l d m a n a g e m e n tm o d ei su n a b l et om e e tt h en e e do f e x p e r i m e n t a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t h e r e f o r e ， i ti sn e c e s s a r yf o ru st ob u i l da no p e nl a b o r a t o r y , s t u d e n t sc a nc h o o s et h eo p t i o n a le x p e r i m e n t so f t h e i ro w na c c o r d i n gt ot h e i ri n t e r e s t s b yr e p e a t e dc i r c u i tt e s t i n ga n df a u l ti n q u i r i n g , s t u d e n t sc a n f i n dab e s tw a yf o re x p e r i m e n t sa n dp r o d u c eg o o dr e s u l t s t h ed e v e l o p m e n to fa p p l i e dc o m p u t e r s c i e n c e ，i n s t r u m e n t a lt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi n g e e tg r e a tv i t a l i t yt ot h ee l e c t r o n i c l a b o m t o r y w h e nw e bt e c h n i q u ee x p a n d st ot h er e g i o no fi n s t r u m e n t , i n f o r m a t i o ns y s t e ma n d m e a s u r e m e n ts y s t e mc a nb el i n k e dw i t hn os e a m ，s oc u r r e n te l e c t r o n i cl a b o r a t o r yc a nb e d e v e l o p e dt 0b eak i n do fv i r t u a lw e bl a b o r a t o r yt h r o u g hi n t e r n e to ri n t r a n e t w h i c hm a k e st h e l i m i t e dr e s o u r c e sc a r lb es h a r e df u r t h e s t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f v i r t u a li n s t r u m e n t sa g ed e c r i b e di nt h i sp a p e hw h i c hm n g n e wi d e a g st ot h ec o n s t r u c t i o no fe d al a b o r a t o r y t h ea u t h o rh a v e 仃i e dt od e v e l o p e daf e wk i n d o f v i r t u a li n s t r u m e n t sw h i c hu s u a l l yh a v eb e e nu s e di ne l e c t r i ce l e c t r o n i c se x p e r i m e n t s ，a n db u i l d as m a l l s c a l ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m c o m b i n i n gt h ef e a t u r e so fe x p e d m e n t a lt e a c h i n go f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c ，w ed os o m ec o m p a r i s o n sb e t w e e nt r a d i t i o n a li n s t n m a e n t sa n dv i r t u a l i n s t r u m e n t s , a n dm a k ea n a l y s e so ft h ee x i s t i n gs h o r t c o m i n g so fc u r r e n tv i r t u a lm a c h i n e s i n a d d i t i o n ，ae x p e r i m e n t a lm a n a g e m e n ts y s t e mh a sa l s ob e e ni n t r o d u c e di nt h ep a p e r , w h i c h i n v o l v e dm em o r et h a nh a l fy e a rt od or e s e a r c ha b o u ti t t h ee x p e r i m e n t a lm a n a g e m e n ts y s t e m p r o v i d eaf o u n d a t i o nf o rt h eo p e nl a b o r a t o r y i nt h ee n d ，t h ea u t h o rf o c u s e so nt h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o n so fv i r t u a li n s t r u m e n t a sw e l la saf e wm e t h o d so ft h ei m p l e m e n t so ft h ew h o l ev i p l a t f o r m t h eo p e n i n gv i r t u a ln e t w o r kl a b o r a t o r yi sn o wi nf l l t h e ri m p r o v e m e n t i ta i m st op r o v i d e 9 0 0 ds e r v i c et ot h es t u d e n t sa n dt e a c h e r sa n dm a k et h e mg e ta c c e s st ot h el a b o r a t o r yw h e n e v e r a n dw h e r e v e ra sl o n ga st h e ya r eo ni n t e r u e to ri n t r a n e t t h e p r o j e c ti n t r o d u c e d i nt h i s p a p e ri si n v o l v i n g v i r t u a li n s t r u m e n t s d e s i g n i n ga n d d e v e l o p m e n ta n di t sa p p l i c a t i o no fe x p e r i m e n t a lm a n a g e m e n ts y s t e m t h ee n g i n e e r i n gp r o b l e m s o fd e s i g n i n gt ob es o l v e di nt h i sp r o j e c ta r ed i f f i c u l ta n di n c l u d e sg r e a tm a s s i v ew o r k t h ef u l l c o m p l e t i o no ft h ep r o j e c tb r i n g ss o m eb e n e f l t i a ld e s i g n i n ge x p e r i e n c ef o re x p e r i m e n t a lt e a c h i n g i n n o v a t i o n a l s o ，i th a sg r e a tv a l u ei na p p l i c a t i o na n de x p a n d i n gi no t h e rt m i v e r s i t i e s k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ，n e t w o r k ，e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce x p e r i m e n t s 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 虚拟技术正在爆炸式的发展，深刻的影响着全世界。当我们尝试着理解虚拟技术时，首 先必须理解“虚拟”的概念。“虚拟”这个词最早来源于光学，用于理解镜子里的物体。现 在，“虚拟”这个词用于描述对任何真实物体的模拟，例如虚拟现实、虚拟机和虚拟内存。 所谓虚拟技术，就是希望虚拟机看起来、工作起来都应该和真正的机器一模一样，也即是虚 拟机虽然不是真正的机器，但是如同真实机器一样的工作，完成真实机器的功能。计算机技 术和电子技术的迅速发展，层出不穷的新器件与新实验方法将逐渐淘汰旧的实验仪器和旧的 实验方法。近年来，国内各大院校相继建立起电子电工实验中心以及e d a 教学实验室，使 得学生进行实际电子电路操作之前，可以在计算机上进行模拟仿真实验。这种实验方式不仅 仅节省了元器件成本，还大大地缩短了实验时间。在微机上进行仿真实验。通过反复的调试、 逐步修改元器件参数以达到预期的实验效果。利用日新月异的现代科技，不断挖掘现有仪器 设备的潜力。从培养学生运用知识和提高实际工作能力出发，注重对学生创新能力的培养， 形成一个灵活多样、适应不同层次、不同专业要求的新型电工电子实验教学风格。 电子设计自动化( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ，简写e d a ) 教学的计算机化以及电子 实验的数字化、计算机化已经是毫无争议的发展趋势。利用当今先进的“e l e c t r o n i c s w o r k b e n c h ”、“p s p i c e ”等电子电路设计软件以及一些自动设计软件，进行电子电路的 计算机辅助设计、超大规模集成电路设计等实验、现场可编程门阵列( f p g a ) 和可编程逻 辑器件( p l d ) 的实验，以及印刷电路板( p c b ) 的设计。学生在计算机上完成电路设计计 算、电路模拟和印刷电路板设计，并在实验室完成实际制作。 1 1 虚拟仪器技术简介 1 虚拟仪器的定义 所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机或者工作站平台上，根据测试任务的需求来定义 和设计仪器功能，通过数据采集卡，利用软件来处理采集进来的数据，实现用户自扩展传统 仪器的所有功能。它由计算机、相应的硬件( 如数据采集号，输入输出卡等) 和专用软件 ( 如l a b v i e w ) 构成。用户操作计算机的同时就相当于在使用一台专门的电子仪器。随 着计算机技术的快速发展、总线吞吐能力的提高、c p u 处理能力的增强以及显示技术的进步， 人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的输出与表达功能转移给计算机来完 成。也就是可以利用计算机的高速计算能力和强大的显示能力更好的完成原来的功能。 2 虚拟仪器与传统仪器的区别 从外观上看，传统仪器一般是一台独立的装置，一般由信号输入端e l 、操作面板、检测 结果输出这几个部分组成。操作面板上一般有一些按钮、开关、旋钮等等。检测结果的输出 浙江大学硕上学位论文 方式有指针式表头显示，数字显示、图形显示及打印输出等。 从功能方面分析，传统仪器可分为信号的分析与处理、信号的采集与控制、结果的表达 与输出这几个部分。传统仪器的功能都是通过硬件电路或者同化软件实现的，而且由仪器生 产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法随意改变其功能和结构。传统仪器大 都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受到诸多限制。 另外，传统仪器价格比较昂贵，技术更新慢( 周期一般在5 至l o 年) ，开发费用比较高。 随着微电子技术、计算机技术和大规模集成电路技术的发展，出现了智能仪器和数字化仪器。 尽管如此，传统仪器还是没有摆脱手动操作和独立使用的模式，在测试参数较多或者较为复 杂的应用场合的情况下，使用起来就不太方便。 鉴于以上这些原因，使传统仪器愈来愈难适应信息时代对仪器的需求。要解决这个问题 必需在通用计算机和数据采集硬件支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能，这也就 是设计虚拟仪器的核心思想。 虚拟仪器简单的说是由用户自己定义，而传统仪器则功能固定而且由厂商定义。 基于微机的虚拟仪器系统的一出现就充分利用了微机所带来的最新科技。利用这些科技 和性能上的优势，虚拟仪器迅速缩短了独立的传统仪器和微机之间的距离，包括功能强大的 处理器( 如p e n t i u m4 ) ，操作系统及微软w i n d o w sx p 、n e t 技术和a p p l em a co sx ，除 了融合诸多功能强大的特性，还为用户提供了简单的联网工具。此外，传统仪器随身携带不 便，但是虚拟仪器可以在笔记本电脑上运行，而且一台电脑上可以运行多种虚拟仪器，充分 体现了其便携特性，这就是传统仪器无能为力的。 3 虚拟仪器的优点 ( 1 ) 虚拟仪器的灵活性 除了专用的电路和元件，独立式传统仪器的基本框架类似于基于微机的虚拟仪器。两者 都需要一个或多个微处理器、通讯端口( 如g p i b 接口、串口) 、数据采集及显示功能模块， 根本区别在于两者的灵活性不同，用户是否能够根据各自不同的要求对其进行修改和扩展。 一台传统仪器可能包括一套集成电路，用于实现特定的数据处理功能；而在虚拟仪器中。只 需在微机处理器上运行软件程序就可以实现这些功能，虚拟仪器功能的实现只是会受软件功 能大小的限制，用户可以按自己的需求进行定制。 按照用户不同的应用情况，所需要的硬件可能要有如下各种功能：如数字输入输出， 模拟输入输出、定时、计数、过滤、波形发生和同步采样等。而n i 公司提供全系列的板卡 可以完成上述一种或多种功能。 ( 2 ) 虚拟仪器具有高性能 虚拟仪器技术是在微机技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的微 机技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的文件i o 和处理器，使用户在数据高 速导入磁盘的同时就可以实时地进行复杂的分析。此外，因特网和越来越快的计算机网络使 2 浙江大学硕士学位论文 得虚拟仪器技术展现其强大的优势。 另外，因为信号每经过一次硬件处理都会引起误差；而由于虚拟仪器减少了硬件的使用， 所以就减少了测量误差。 ( 3 ) 虚拟仪器的易维护性 在驱动和应用的两个层面上，虚拟仪器的软件构架能与计算机，通讯方面和仪器仪表的 最新技术结合在一起，能够使用户轻松地发布、配置、创建、维护和修改高性能、低成本的 测量和控制解决方案。 虚拟仪器技术从根本上说是一个集成的软、硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复 杂，技术工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而集成和连接这些不 同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为大多数i o 设备提供了标准的接口。帮 助用户轻轻松松地将多个测量设备集成到单个系统，大大减少了任务的复杂性。 ( 4 ) 虚拟仪器价位低 传统仪器关键是硬件，技术更新周期长，开发维护费用高；虚拟仪器关键是软件，技术 更新周期短，开发维护的费用低。虚拟仪器通过软件将微机硬件资源与仪器硬件有机的融合 为一体，从而把微机强大的计算机处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大 缩小了仪器硬件的体积和成本。并且通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 1 2 仪器的发展历程 虚拟仪器是仪器经过了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器的发展阶段后的第四代仪器f 5 i 。 第一代仪器：模拟仪器 例如指针式万用表，它的基本特征是采用模拟电子技术来实现的，采用指针显示结果。 第二代仪器：数字化仪器 数字化仪器目前已经相当普及，如数字电压表、频率计等。这类仪器就是将模拟信号的 测量转化为数字信号的测量，并且以数字方式输出最终结果。 第三代仪器：智能仪器 智能仪器内置微处理器( c p u ) ，它应该能进行自动测量，具有一定的数据处理能力， 可取代部分脑力劳动。它的全部功能全部都是以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，无论是 开发还是应用，都缺乏一定的灵活性。 第四代仪器：虚拟仪器 虚拟仪器是测量技术和现代计算机技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变 革，应该是将来仪器发展的一个重要方向。 目前，仪器领域正在进行第三次革命，这次革命是由微机软、硬件技术的进步引起的， 这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期：虚拟仪器时代。 1 9 8 6 年，美国n i 公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 提出了虚拟仪器的概, 念f 2 1 ，提出了“软件 浙江大学硕士学位论文 即仪器”的口号，彻底的打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而 引起仪器和自动化工业的一场革命，代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测 量系统的根本性转变。一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站，配上功能强大 的应用软件、低成本的硬件( 例如插入式扳卡) 及驱动软件，它们在一起共同完成了传统仪 器的功能。 图1 - 1 v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n - c o m p u t e rb a s e di n s t r u m e n t s 起初，n i 公司提出的虚拟仪器概念实际上是一种编程思想，这种思想可以简单地表述 为：一个虚拟仪器程序( v i ) 可以由前面板、图标连接端口和数据流框图组成。前面板相 当于真实物理仪器的操作面板，而数据流框图就相当于仪器的电路结构。从虚拟仪器概念提 出至今，有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。研究人员在虚拟仪器硬件接口、虚拟仪器软件 及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作，并已开发了许多实用的虚拟仪器系统，如 卡式仪器、计算机化仪器、总线式仪器等。其共同点是大多强调其虚拟界面、软件面板、控 制环境以及数学模型和软件方法。典型的虚拟仪器模式可以理解为，除了信号的输入和输出 以外，仪器的其他操作，如测量、控制、分析、变换、显示等功能均由软件来实现，它们依 据某种通用或专用总线标准或规约，或以某种接口形式，与计算机进行通信，由计算机统一 进行调度和管理的一种数字化仪器p 】。 1 3 虚拟仪器技术的应用前景 虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称做 “软件就是仪器”。虚拟仪器系统可实现信号发生器、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等等多 种普通仪器的全部功能，已成为仪器领域的一个基本方案，是多领域技术进步交叉的必然结 果。虚拟仪器在国际上早已进入实用阶段，例如，美国军方也在广泛地使用虚拟仪器技术。 作为世界上最大的a t e ( 自动化测试设备) 独立用户，美国国防部已经在他们所推动的综 合性仪器中采用了基于软件的虚拟仪器概念。当前，数千家大型的公司已经开始使用虚拟仪 器技术。仅在生产检测中，如l e x m a r k , ，m o t o r o l a ，a b b ，d e l p h i 和p h i l l i p s 这些行业领导 者已在关键性项目、大规模产品检测应用中使用虚拟仪器技术的软件和硬件。在工业领域， 4 浙江大学硕士学位论文 虚拟仪器技术已经被用于测量和仪器、自动化、电路设计，信号和图像处理、石油钻探、提 炼和生产中的机器控制，甚至被用于核反应堆的控制等众多行业上。随着微机、半导体和软 件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式， 并且在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性田】。 1 、仪器计量系统：在仪器计量系统方面，信号发生器、示波器、频谱仪、逻辑分析仪、 电压电流表是大专院校、科研机关、企业研发实验室的必备测量设备。随着计算机技术在测 试系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理 十分困难。在完成某个测试任务，往往需要许多仪器，如信号发生器、示波器、频率分析仪、 电压表等等，对于复杂的数字电路系统还需要逻辑分析仪、i c 测试仪等。这么多的仪器不 仅价格昂贵、体积大，占用空间，而且相互连接起来也相当费事费时，更易引入干扰信号。 而虚拟仪器技术将计算机资源与d s p 技术，仪器硬件结合，在系统内共享软硬件资源，既 有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能。它把厂家定义仪器功能的方式转变为 由用户自己定义仪器功能，用户可以根据测试功能的需要，自己设计所需要的仪器系统，只 要将具有一种或多种功能的通用模块相结合，并且调用不同功能的软件模块，就可以组成不 同的仪器功能。 2 、专用测量系统：在专用测鼍系统方面。虚拟仪器的发展空间应该更为广阔。环顾现 在社会，信息技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化，计算机为虚拟 仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是利用专用的软、硬件配合计算机实现专 用设备的功能，并使其智能化、自动化。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数 据处理、数据存储、数据传输的计量场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌可以大为 改观。数据的拾取、处理、存储，分析一条化操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一 切计量系统，只要技术上可行，都可以用虚拟仪器代替。 3 、实验教学系统：实验教学是许多理工科专业必须进行的一项教学活动。掌握测量仪 器和设备的操作使用方法是每个理工科学生进行科学实验的基本前提。传统的实验教学方法 是让学生在教师的指导下进行实际的操作使用，随之而来的问题是教师的工作量很大而且很 难应对所有学生进行指导，既影响教学效果又很容易造成仪器的损坏。运用c a i 教学软件 辅助实验教学，虽然能较好克服存在的部分困难，但是由于电子技术实验教学方面的c a i 软件目前功能还不是很强，操作性、交互性和界面的真实程度还比较较差，适应范围也比较 窄，因而在一定程度上限制了教师和学生使用的积极性。如果利用虚拟仪器开发平台开发各 种功能的虚拟仪器，不但简单易行，且可操作性、交互性和真实感与实际的虚拟仪器基本相 近。在由它们组成的虚拟实验室，让学生先通过对虚拟仪器的模拟操作使用，全面了解和掌 握各种虚拟仪器的使用方法和操作要点，为实际使用传统的实验仪器设备打下较好的基础， 这样既可降低教师的劳动强度，减少仪器设备的损坏，同时又可以提高实验教学效果和质量。 以仪器的学习与使用的实验教学为例，根据实际使用的虚拟仪器设备，将各种虚拟仪器及工 5 浙江大学硕士学位论文 作原理、操作使用方法设计成独立的教学模块，共同组建一个基于网络的虚拟实验室。 4 、自动控制系统：在工业控制和自动控制领域，虚拟仪器同样的应用广泛。绝大部分 闭环控制系统要求精确地采样，及时地将数据处理和快速地数据传输。虚拟仪器系统恰恰符 合了上述特点，十分适合测控一体化的设计。尤其是制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨 大数据吞吐能力必将使其在电力仪表系统、在线监测系统、温控系统、流程控制系统等工控 领域发挥更大的作用。 虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新潮流和方向，对科 学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。在由中国仪器仪表学会理事长、中 国工程院院士庄松林教授撰写的 2 0 2 0 年科学仪器发展规划建议纲要一文中，就已经明 确将虚拟仪器技术作为当前仪器领域的前沿与关键技术。中国，虚拟仪器虽刚起步，但发展 迅速，已在物矿勘探、电子测量，物理探伤、振动分析、电子工程、声学分析、故障分析及 教学科研等方面的数据采集和分析中广泛应用。 1 4 虚拟仪器在高校的应用 在国外，虚拟仪器不仅在研究机构，产业部门得到应用，并且一些大学也已经将其引入 教学实验室。到1 9 9 7 年底，包括m i t 在内的美国1 0 多所大学都建立了教学用的虚拟仪器 实验室。应用专业包括电工电子、物理、化学、机械、核物理、生物、甚至心理学等。值得 指出的是，虚拟仪器使用的硬件大都是通用的，各种专业仪器的差异主要靠软件实现。这不仅 使虚拟仪器的应用价值大为提高，而且在教学上更有意义【1 1 。 最近，在v a n d e r b i l t 大学的l a s o nl w a t a i 进行的一项调查中，学生们都同意了这样的论 断，“和传统的桌面仪器相比，基于计算机的仪器更友好和更易于使用。”抽样人数n = 7 7 个学生( 评分等级：l = 极度不同意；2 = 不同意；3 = 部分同意；4 = 同意；5 = 极度同意) ，学生 的平均答案为4 0 5 。总体丽言，采用基于微机的虚拟仪器技术能得刭更多的技术知识和编程 技巧。 中国民航学院几年前就建立了一个航空发动机转子实验室1 2 。实验室设备包括2 0 k w 变 频调速的转子动力实验台1 套，转子动力特性实验件1 套，航空发动机转子模拟实验器l 套：电动式振动平台l 套；n i 公司的p x i - 6 0 7 0 e 高速采集卡和s c x i 1 1 4 0 ，s c x i 1 1 4 1 数据 调理模块。该测试分析系统以虚拟系统技术为核心，结合国内外前沿的信号分析技术开发的 一套适于转子系统的振动信号采集、分析和显示系统。 国防科大航天技术与材料工程学院使用n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w5 1 开发 了个面向大学测试类实验室的分布式v x i 仪器教学试验网络系统【3 】。他们针对v x i 测试 系统原理和应用，为本科生和研究生开设不同程度的实验项目。 天津理工大学生物与化学工程学院使用n i 公司的p c i - 6 0 3 6 以l a b v i e w 7 0 开发平台 编写物理化学实验系统软件【4 l ，以及多种实验装置，建立了一套完整的“物理化学实验系统” 6 浙江大学硕士学位论文 该系统可以精密执行b z 振荡测试实验、溶解热测定实验、p h 电动势关系测定实验、恒温 槽特性实验，燃烧热测定实验等等。 清华大学电机系利用n i 公司的l a b v i e w 软件和d a q 硬件板卡”，开发了一系列电工 实验虚拟仪器，成功改造实验内容，明显提升了实验教学水平。 天津中德职业技术学院利用p c i - 6 0 2 4 e 采集卡，外加相应的传感器及振动计、噪声计等 测量仪器，完成设备故障诊断技术课程的实验教学。 华中科技大学电子科学与技术系使用n i 公司l a b v l e w 、i m a qv i s i o n 等软件川配合 e l v i s 、i m a q 1 4 2 2 ，p x i 和s c x l 等系列硬件，构建基于i n t e r a c t 的分布式网络虚拟实验室 体系，实现实验数据和实验仪器的远程共享。为高等院校学员提供扩招带来的教学资源紧张 问题。 华南师范大学物理系研制了一套基于双客户机朋务器模式和采用t c p i p 的数字信号平 均实验远程教学系统【8 j o 其系统实现了学生通过互联网实时地操作实验室的信号发生器、调 节信号大小旋钮以及将原始混合信号波形、累加处理后的波形和由摄像机捕获的实验室现场 仪器运行情况实时地返回给远程的实验者，从而可以在异地完成真实数字信号平均实验过 程。 现在，l a b v i e w 不仅能在微机上开发测试程序，而且可以在f p g a ( 现场可编程门阵 列) 和嵌入式处理器上设计硬件，这一技术也将最终使用户可以从设计测试系统到定义硬件 的功能。例如，可以开发l a b v l e w 程序来使用模块化仪器进行某些测量，如d c 电压和上 升时间。如果在某些情况下需要使用一些新的硬件功能来实现测量，如定制的触发，可以用 l a b v i e w 定义一个滤波和触发方案，并嵌入到仪器卡上的f p g a 中。可见，n j 虚拟仪器技 术在测控领域已经掀起了一场革命，同时也给传统的教学研究带来了翻天覆地的变化。一个 基于微机的自动化和测量测试实验室大大提高了研究人员的工作效率并改进了学生的学习 方式。与以往费时的采集数据的过程不同，现在，老师和同学都可以集中精力分析结果并得 出结论；使学生们可以将大部分时间花在实验工作的执行上，而不在实验系统设备的搭建中。 因此，虚拟仪器技术已逐渐为各大院校老师和学生接受并称赞，在国内外的各类学校中有着 广泛的应用。 1 5 本文的主要工作 计算机科学、仪器技术和网络技术的发展给电工电子实验室的发展注入了活力。实验教 学不能停留在传统的封闭式教学模式上，必须建立开放式实验室，让学生根据自己的兴趣爱 好选择自己擅长的实验，反复地进行电路测试和故障查询，通过选择最佳的实验方案，采用 优越的实验手段使得实验结果达到晟佳。 本文主要的工作和解决的问题： 1 、根据现有的个人计算机和美国国家仪器公司( n i ) 的数据采集卡，应用l a b v i e w 开 7 浙江大学硕士学位论文 发软件，开发设计电工电子实验的虚拟仪器，包括：虚拟双通道示波器、虚拟信号发生器、 虚拟毫伏表、虚拟数字计数器、虚拟数字i o 等。虚拟仪器开发平台开发各种功能的虚拟仪 器，不但简单易行，且交互性、可操作性和真实感与实际的虚拟仪器基本相同。 2 、结合虚拟仪器提出基于虚拟仪器的实验管理系统的结构和功能。把信息系统和测量 系统通过i n t e r n e t 或i n l m n e t 无缝地连接起来，将现有的电子实验室和实验管理系统结合起 来，最大限度地做到资源共享。介绍了应用虚拟仪器和实验管理系统完成电工电子的实际例 子。 3 、对虚拟网络实验室进行了研究，以虚拟仪器为基础的虚拟网络实验室结构已经初步 形成。l a b v i e w 以3 种网络模型为参考，通过内建功能强大的t c p p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，传输控制协议互联网络协议) 及u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用 户数据包协议) 协议技术、d a t a s o c k e t 技术、v is e r v e r 和w e b 服务器技术，较好地实现了 虚拟仪器的网络化扩展。整个虚拟实验室系统可以采用b s d a ( b r o w s e r s e r v e r d a t a b a s e a p p l i c a t i o n ) 模式，w e b 服务器程序采用“并发接收，顺序执行”的服务策略进行实验 室多用户并发访问协调管理：应用服务器采用l a b w i n d o w s c v i 开发了虚拟仪器程序，用 于执行客户端的请求。前台使用j a v a a p p l e t 开发了客户端虚拟仪器程序，通过j a v a 程序与 l a b w i n d o w s c v i 程序交互进行网络数据通信，后台以m y s q ls e r v e r 为数据库服务器进行 数据储存和管理。 1 6 小结 本章首先介绍了虚拟仪器和传统仪器的区别以及虚拟仪器的优缺点，接着介绍了虚拟仪 器是仪器经过了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器的发展阶段后的第四代仪器发展历程，然 后介绍了虚拟仪器在电子测量、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探，故障分析及教 学科研等方面的应用前景，以及在国内外高校应用专业包括电工电子，物理、化学、机械、 核物理、生物、甚至心理学等的应用状况，指出了本文的主要工作。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章电工电子实验室中的虚拟 仪器开发与设计 2 1 虚拟仪器的实现 2 1 1 虚拟仪器技术的三大组成部分 1 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。科学家和技术工程师们通过高效的软件进行编程 以创建自己的应用以及友好的人机交互界面。当前使用较多的虚拟仪器软件都能提供强大的 数据处理能力，设置数据存储、处理、转换的方式，并且将结果显示给用户。此外，n i ( 美 国国家仪器公司) 提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设 计与测试的交互式软件s i g n a l e x p r c s s 、用于传统c 语言的l a b w i n d o w s c v i 、针对微软v i s u a l s t u d i o 的m e w e m e ms t u d i o 等等，这些都可以满足客户对高性能应用的需求。 在功能强大的软件下，用户就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器 技术在测试、测量和测控应用中的及其强大优势。 2 模块化的i o 硬件 面对日益复杂的测试测量应用，n i 提供了全方位的软、硬件的解决方案。无论使用u s b ， p c i ，p x i ，p c m c i a 还是1 3 9 4 总线，n i 都能够提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从 信号条理、数据采集、声音和振动测量、仪器控制、视觉、运动、分布式i o 到c a n 接口 等工业通讯，应有尽有。n i 高性能的硬件产晶结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设 计工作的技术工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。 当前，n i 已经达到了每几个工作日推出一款硬件产品的速度，极大拓宽了用户的选择 面：例如n l 新近推出的新一代数据采集设备先期推出的2 0 款m 系列d a q 卡，就为 数据采集领域设定了全新的标准。 3 用于集成的软硬件平台 n i 首先提出的专为测试任务设计的p x i 硬件平台i s ，已经成为当今测试、测量和自动 化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和p c 技术的成本优势为测量和自动化行业带 来了一场翻天覆地的改革。由n i 发起的p x i 系统联盟现已吸引了6 9 家厂商，联盟属下的 产品数量也已激增至近千种。 p x i 作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端 的定时和触发总线，再配上各类模块化的i 0 硬件和相应的测试测量开发软件，用户就可以 建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信 号同步采集，借助p x i 高性能的硬件平台，用户都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给 9 浙江大学硕士学位论文 用户的无可比拟的优势。 2 1 2 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件平台一般由两部分组成：计算机和i o 接口设备。计算机，一般为一台 微机或工作站，是硬件平台的核心。l d o 接口设备，主要完成对被测输入信号的预处理( 如 放大、采集、模数转换) 。根据不同的总线及其相应的i o 接口设备，利用微机总线的o p i b 总线仪器、数据采集卡版( d a q ) 、p x i 总线仪器、v x i 总线仪器模块和串行总线仪器等，虚 拟仪器硬件系统构成方式大致如图2 - 1 所示 7 1 。 。1信号调理_ 1 数据采集卡 一 叫o p i b 接口仪器f 叫o p i b 接口卡 - i1 潮 1 7 i 卑行口仪器魍c1 1 控 1 7 il v x l 仪踞踞j 1 i 7 1p c 机 对 1 7 i 啪肼软件平台i 象 1 一l i 9 仪器 1 1 _ 。 f 现场总线【f i e l d b m 设备f - i 图像采集、d s pf h 1 7 i l计篁机网络信号设备f r - 图2 1 虚拟仪器的硬件系统 1 ，计算枧系统 微机或工作站是虚拟仪器系统的核心，完成数据的处理和结果的显示。利用计算机图形 显示技术和多媒体技术，将复杂的数据处理和数据计算推向后台，把测控的结果用数字、曲 线、图象、图形、声音等形式提供给用户。 2 接口硬件设备 d a t a a c q u i s i t i o n ( 简称d a q ) 系统 它是以信号调理电路、数据采集板及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式仪器系统，这 种系统采用i s a 或者p c i 计算机本身的总线。将数据卡板插入计算机的相应插槽中即可， 容易普及使用。 g p i b 系统 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器初期的发展阶段，它的出现使电子测量由独立的 单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的g p i b 系统有一台微机机，一块g p i b 接 1 0 浙江丈学硕士学位论文 1 3 卡和若干台g p i b 式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。g p i b 测试系统的操作命令和结构 简单，适合在要求高精度，但是不要求对计算机高速传输的情况下应用。 串口系统 串口系统是以s e r i a l 标准总线仪器与微机为硬件平台的系统，包括符合r s 2 3 2 标准的 单片机系统、p l c 系统等。 v x i 系统 v x l 系统是以v x i 标准总线仪器模块与微机为仪器硬件平台的系统。v x i 总线是高速 微机总线v m e 总线在仪器领域的扩展。由于它具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、 定时和模块可重复利用、同步精确、众多仪器厂家支持等优点，很快得到广泛的应用。 p x l 系统 p x i 总线是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求而形成的，增加了多板 同步触发总线的参考时钟、用于精确定时的星形触发总线以及用于相邻模块的高速通讯的局 部总线。标准的p x i 模块化仪器系统应该有8 个插槽，而且还可与c o m p a e t p c i 交互操作， 可与v x i 或g p i b 集成，组成多用途、大规模的系统。 2 1 3虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器软件体系结构主要包含两个层次：接口程序以及用户应用程序，其中的接口程 序是联系用户应用程序和底层硬件设备的基础，每一种接口程序都是为了提高数据吞吐量和 编程灵活性而设计的。对于应用程序来说，不管仪器使用的计算机或者操作系统是什么。最 终编写的用户应用程序都是可移植的。 当给定计算机的计算能力和必要的仪器硬件平台后，构造和使用虚拟仪器的关键是应用 不同软件实现不同的功能。虚拟仪器的应用软件包含以下四个方面：集成的开发环境，仪器 的硬件接口以及虚拟仪器的用户界面、仪器数据库。虚拟仪器最核心的思想：是如何利用计 算机的软件和硬件资源，使得硬件技术虚拟化、软件化，最大限度地降低系统的成本，增强 系统的功能和灵活性 9 1 。虚拟仪器软件系统的框架从底层到顶层包括三个部分：v i s a 库、 仪器驱动程序、应用软件，如图2 2 所示。 图2 - 2 虚拟仪器的软件结构 浙江大学硕士学位论文 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e